RESUMO
Efluentes de cozinhas industriais se caracterizam pela geração de elevado teor de óleos e gorduras. Esses produtos notadamente causam sérios problemas ambientais, sendo obrigatória a instalação de unidades de pré-tratamento no local onde são gerados, e com isso surge a importância das caixas de gordura (CGs), destinadas a esse fim. O desempenho das CGs tem relação direta com as condições processuais e hidrodinâmicas que ocorrem em seu interior. O presente estudo teve o objetivo de comparar as características hidrodinâmicas da CG funcionando sob duas condições operacionais distintas: flotação gravitacional e flotação forçada (auxiliada por difusores de ar). Realizaram-se quatro testes hidrodinâmicos na CG, sendo o primeiro e segundo testes com água limpa a uma vazão constante e o terceiro e quarto testes com efluente do Restaurante Universitário (RU), cuja vazão era variável em função das atividades do RU. Aplicaram-se a metodologia de distribuição do tempo de residência (DTR) e a técnica de estímulo e resposta utilizando cloreto de potássio (KCL) como elemento traçador. Os resultados hidrodinâmicos no primeiro teste operacional apontaram características entre o escoamento pistonado e o escoamento dispersivo, com moderada intensidade de dispersão e certa mistura. O segundo teste, com aeração, mostrou tendência ao escoamento em mistura completa com grande intensidade de dispersão. O terceiro teste, por flotação gravitacional, mostrou tendência a fluxo pistonado, enquanto o quarto teste demonstrou fluxo dispersivo, tendendo a um elevado grau de mistura. Observaram-se, em todos os testes, aparentes desvios causados provavelmente por zonas estagnadas (mortas), curtos-circuitos e fenômenos de recirculação, fazendo com que o volume útil da CG não fosse plenamente utilizado. Apesar de não fazer parte do escopo deste trabalho, a eficiência na remoção de óleos e graxas foi maior quando aplicada a flotação gravitacional, cuja mistura tende à pistonada, o que auxilia o grau de aquiescência e permite maior acúmulo de gordura flotada. Quanto à flotação forçada por meio dos aeradores, grande
1Doutora em Recursos Hídricos em Sistemas Agrícolas (Recursos Hídricos e Saneamento Ambiental) pela Universidade Federal de Lavras (UFLA) – Lavras (MG), Brasil. Arquiteta da Pró-Reitoria de Infraestrutura da Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) – Juiz de Fora (MG), Brasil.
2Doutor em Environmental Engineering pela University of Newcastle Upon Tyne – United Kingdom. Professor Titular da UFLA – Lavras (MG), Brasil.
3Doutor em Engenharia Agrícola (Recursos Hídricos e Ambientais) pela Universidade Federal de Viçosa (UFV) – Viçosa (MG), Brasil. Professor Adjunto do Departamento de Engenharia e Coordenador do Curso de Graduação em Engenharia Ambiental e Sanitária da UFLA – Lavras (MG), Brasil.
4Doutora em Engenharia Agrícola pela UFV – Viçosa (MG), Brasil. Professora Adjunta do Departamento de Engenharia da UFLA – Lavras (MG), Brasil. 5Doutoranda na UFLA – Lavras (MG), Brasil.
Endereço para correspondência: Waina Bella de Castro Junqueira – Rua Barão do Cotegipe, 339, Apto. 01 – Centro – Leopoldina (MG), Brasil – E-mail: waina.junqueira@yahoo.com.br Recebido em: 06/05/14 – Aceito em: 15/08/16 – Reg. ABES: 134506
Artigo Técnico
Estudos hidrodinâmicos do escoamento em caixa
de gordura empregada no tratamento preliminar
dos efluentes de cozinha industrial
Hydrodynamic flow studies in the grease trap employed
in the primary treatment of efluents from industrial kitchen
Waina Bella de Castro Junqueira
1, Claudio Milton Montenegro Campos
2,
Ronaldo Fia
3, Fátima Resende Luiz Fia
4, Fabiana Amorim
5ABSTRACT
INTRODUÇÃO
Eluentes provenientes de cozinhas industriais, em sua maioria, não são tratados ou não recebem tratamento adequado. Tais resíduos caracteri-zam-se por elevadas vazões intermitentes e com grande teor de óleos e gorduras. Quando lançados diretamente na natureza, causam problemas ambientais tanto ao solo como aos corpos hídricos receptores, pois os óleos e as gorduras possuem baixa solubilidade e alta resistência à degra-dação, tornando-se um dos constituintes orgânicos mais complexos ao tratamento. Associados a outros compostos intermediários gerados durante sua biodegradação, provocam interferências contraproducen-tes nas estações de tratamento de esgoto (ETEs), tais como toxicidade,
efeitos inibitórios aos micro-organismos, varredura (wash-out) do lodo,
trazendo diminuição da biomassa ativa e, consequentemente, obrigando a diminuição da carga orgânica biológica aplicada (ORSSATO; HERMES; VILAS BOAS, 2010; YANG; CHEN; CHEN, 2012).
Os óleos e as gorduras, identiicados analiticamente por meio do parâmetro de qualidade intitulado “óleos e graxas” (O&G), não podem ser facilmente tratados por processos biológicos convencionais, por-tanto é indicado pré-tratamento no local onde são gerados. As caixas de gordura (CGs), unidades destinadas a esse im, atuam na reten-ção supericial de partículas menos densas que o meio para posterior remoção (METCALF & EDDY, 2003; JORDÃO & PESSÔA, 2005).
Nesse contexto, nas CGs convencionais, a remoção de O&G ocorre por processos de lotação gravitacional, porém os processos por lotação forçada (auxiliada por ar difuso) vêm ganhando
funda-mental importância (PALMEIRA et al., 2009) como alternativa no
tratamento das águas residuárias ricas nesses compostos, como as provenientes de cozinhas e restaurantes. Entretanto, o desempenho dessas unidades se relaciona diretamente com as condições hidro-dinâmicas predominantes em seu interior, e o conhecimento dessas condições contribui para dimensioná-las e aperfeiçoá-las quando já construídas, pois permite veriicar se os critérios adotados no pro-jeto estão realmente adequados, podendo ou não ser legitimados.
Para determinar o comportamento hidrodinâmico, torna-se necessá-rio, como condição básica, o conhecimento da distribuição do tempo de residência (DTR) da ininidade de moléculas constituintes do luido, as quais podem se dispersar e percorrer diferentes caminhos, despendendo tempos distintos para percorrer o volume líquido, sujeito a vários distúr-bios. A DTR é obtida mediante o método de estímulo e resposta, em que o estímulo é a injeção de um elemento traçador no aluente, no tempo
zero, com substância inerte ao meio investigado. A resposta consiste nas leituras das concentrações das amostras coletadas no eluente, imediata-mente após a injeção do traçador e sequencialimediata-mente ao longo do tempo, que deve idealmente corresponder a, pelo menos, três vezes o tempo de
residência teórico (TRHteórico) calculado em projeto, o qual representa o
quociente entre o volume da unidade e a vazão aplicada (LEVENSPIEL,
2000; CAPELA et al., 2009; LOURENÇO & CAMPOS, 2009).
A avaliação da curva DTR gerada pela concentração de saída em função do tempo monitorado permite simular ou predeterminar resul-tados por meio de modelos de escoamento ideal do luido (pistonado e mistura completa), pois coniguram uma ampla faixa, dentro da qual
as unidades reais se enquadram (CAPELA et al., 2009; LOURENÇO
& CAMPOS, 2009). Porém, na prática, o escoamento segue modelos que consideram a dispersão das partículas do luido, ou seja, los intermediários entre os dois extremos citados, como os mode-los de dispersão e o modelo de células agitadas em série (PAOLI & VON SPERLING, 2013). Teoricamente, os modelos pistonados, em se tratando de reatores biológicos, apresentam maior eiciência do que aqueles de comportamento hidrodinâmico, tendendo para mis-tura completa. Na aplicação de tais modelagens são obtidos os prin-cipais parâmetros hidrodinâmicos, como tempo médio de residência
hidráulica (TRHmédio), correspondente ao tempo de residência médio
real observado, e variância (σ2), capazes de estimar o número de
dis-persão (d) e o número de células agitadas em série (N), favorecendo,
assim, a determinação do tipo de mistura e das prováveis anomalias relacionadas ao escoamento nas unidades reais, como, por exemplo: dispersão, recirculação, curtos-circuitos e zonas estagnadas.
O objetivo principal deste estudo foi comparar as características hidrodinâmicas de uma CG funcionando um período por lotação gra-vitacional e outro por lotação forçada, respectivamente, utilizando-se como luido, inicialmente, água limpa (primeiro e segundo testes) e, posteriormente, água residuária proveniente do restaurante universi-tário (RU) (terceiro e quarto testes).
MÉTODOS
O experimento foi conduzido na CG devidamente projetada como uni-dade de tratamento preliminar, construída em um espaço anexo ao RU do Campus da Universidade Federal de Lavras (UFLA). A referida
uni-dade possui a seguinte coniguração: volume de 5,24 m3; comprimento
parte da gordura é oxidada e, portanto, minimizada, formando uma escuma de cor clara (branca) e de baixíssima espessura na parte superior da CG. Todavia, por se tratar de elevado grau de mistura, a eficiência de retenção se mostrou, como previsto, inferior ao processo gravitacional.
Palavras-chave: óleos e gordura; caixa de gordura; hidrodinâmica; modelos matemáticos.
e largura úteis de 3,55 e 0,85 m, respectivamente; profundidade útil variando de 1,57 a 1,90 m, ao longo do comprimento, a im de per-mitir o escoamento e a retirada do lodo decantando (Figuras 1 e 2).
A CG trabalhou com duas condições operacionais distintas: pri-meiramente, lotação gravitacional, com o sistema de aeração des-ligado; e, posteriormente, lotação forçada, auxiliada por difusores
Figura 2 – Corte A-A da caixa de gordura (medidas em cm).
Tubo p/ descarga de lodo
Vem do soprador
Afluente
Piso
Difusor de ar
Cantoneira inox de 2” x 1/4"
Efluente Caixa retentora de escuma
PISO
Nível d’água
Figura 1 – Planta baixa da caixa de gordura (medidas em cm).
A
Muro Triturador industrial
de resíduos
Abrigo metálico p/o soprador Afluente
100 mm PVC
Difusores de ar
A
Caixa retentora de escuma Ladrão para saída
de gordura Tubo PVC reforçado 100 mm
B B
C
C Efluente
100 mm PVC Tubulação do soprador 2”
de ar submersos, acionados por soprador com potência de 1,5 kW,
1740 RPM, equivalente a uma densidade de potência φ=0,286 kWm-3.
O ar foi aplicado por meio de 8 difusores (com diâmetro de 230 mm, bolha ina) construídos em PVC com membrana EPDM a uma taxa
constante de 4,2 m3
ar.m -3.
Delineamento dos testes hidrodinâmicos
O primeiro e o segundo testes hidrodinâmicos, respectivamente com a CG sob flotação gravitacional e flotação forçada, foram realizados com água oriunda da rede de abastecimento da UFLA, com vazão praticamente constante. O terceiro e o quarto testes hidrodinâmicos foram conduzidos com água residuária do RU, com grandes oscilações de vazão, contendo resíduos constituídos de gorduras dispersas, floculadas e emulsionadas, restos de ali-mento provenientes da higienização, do processaali-mento, da pre-paração e do cozimento.
A metodologia utilizada nos testes foi a de estímulo e res-posta segundo a técnica de pulso, citada por Campos (1990) e Levenspiel (2000), empregando-se o cloreto de potássio (KCl) como elemento traçador, cujo preparo seguiu a metodologia descrita por Campos (1990). Inicialmente, antes da introdução do traçador,
cole-tou-se uma amostra do luido (branco) para veriicar se havia K+ no
meio. Após a injeção do KCl, realizada no tubo de entrada (aluente), as amostras foram coletadas na saída (eluente) da CG, em
interva-los de tempo regulares. Para a leitura das concentrações de K+,
uti-lizou-se fotômetro de chama da marca Quimis, modelo Q398M2, 220v–188W, com faixa de medição de leitura de 0–100 ppm, nos testes com água limpa, enquanto nos testes com água residuária do RU foi utilizado fotômetro de chama da marca Micronal, modelo 4 B 262, 220V, calibrado para a faixa de medição de leitura de 0–20 ppm. As características operacionais de todos os testes hidrodinâmicos encontram-se na Tabela 1.
O 1º teste ocorreu durante um período de aproximadamente
1.920 minutos, quase 6 vezes maior que o TRHteórico (334 minutos),
com a CG sendo alimentada de forma ininterrupta (com água limpa). Já no 2º teste a CG foi alimentada com o mesmo luido de modo inter-mitente, simulando o horário de funcionamento do RU, das 7h às 13h30min (6h30min por dia). Ao término das coletas, desligava-se o sistema de aeração e interrompia-se a água na entrada da CG. A dura-ção total do teste, considerando-se o horário das 17h30min sem ali-mentação, foi de 4.710 minutos, aproximadamente 4 vezes maior que
o TRHteórico (1.232 minutos).
Os demais testes (terceiro e quarto) com a CG sendo alimentada com eluente do RU ocorreram de modo intermitente. Foram conside-radas as 6h30min de funcionamento do RU somadas às 17h30min em que não havia vazão. O 3º teste teve duração de 8.980 minutos, tempo
aproximadamente 17 vezes maior que o TRHteórico (523 minutos). Já o 4º
teste totalizou 9.030 minutos, tempo aproximadamente 20 vezes maior
que o TRHteórico (462 minutos) do experimento.
Ao inal dos testes, foram obtidos os resultados das
concentra-ções de K+versus os intervalos de tempo de coleta (C.t) que
permiti-ram a construção dos gráicos (curvas de DTR) com o sotware Excel®.
Posteriormente, as curvas DTR foram ajustadas ao modelo matemá-tico de dispersão de grande intensidade descrito em Levenspiel (2000). Para a comprovação dos resultados de todos os testes, empregou-se o modelo de células agitadas em série, representando as condições hidráulicas intermediárias entre as unidades de mistura completa e de escoamento pistonado, que, por hipótese, pode ser assumido pela CG ao funcionar com aeração e sem aeração.
Os parâmetros hidrodinâmicos determinados foram: TRHteórico,
obtido pela Equação 1; TRHmédio, obtido por meio da metodologia
apre-sentada por Levenspiel (2000) e Metcalf & Eddy (2003) (Equação 2);
número de dispersão (d), considerando-se o modelo de dispersão de
grande intensidade (quando d>0,01) descrito em Levenspiel (2000) (Equação 5); variância da distribuição do tempo médio de residência
(σ2), calculada pela (Equação 3); variância normalizada da
distribui-ção (σ2
θ), determinada pela (Equação 4). O N foi determinado pela
(Equação 6). Para obter d e N, foi utilizada σ2
θ, bem como a
deriva-ção das equações apresentadas em Levenspiel (2000) (Equaderiva-ção 7)
com a função gama de N,g(t) (Equação 8), metodologia citada por
Kadlec & Wallace (2008). Nesta última, o parâmetro N foi
selecio-nado para minimizar a soma dos erros quadrados entre a função g(t)
e os dados do traçador, sendo ixados os valores de TRHmédio obtidos
por meio dos testes.
Tabela 1 – Características de operação do ensaio hidrodinâmico.
Descrição teste1º teste2º teste3º teste4º
Vazão observada (L.min-1) 15,69 15,69 36,98 41,80 Vazão observada (m3.dia-1) 23,00 6,12 14,42 16,30
Traçador utilizado (KCl)
Massa de KCl 500 g
Massa de K+ adicionada 262,22 g
Forma de injeção Pulso (~15 s) Pulso (~9 s) Pulso (~3 s)
Volume de injeção de KCl 1,5 L 2 L*
Concentração de KCl 333,33 g.L-1 250,00 g.L-1 Concentração de K+ 174,82 g.L-1 131,11 g.L-1 Intervalo de coleta
(minutos) 30 10 20 10
Número de coletas
(amostras) 65 160 139 280
*Mudança no volume de injeção por se encontrarem cristais de sal no fundo do recipiente.
Q V
TRHteórico (1)
dt t C t C t TDH
TRHmédio real
0 0 ) ( ) ( (2) 2 0 0 2 2 ) ( ) ( médio TRH dt t C t C t (3) 2 2 2 médio
TRH (4)
L u D médio e L u D L u D TRH . 2 2 2 2 1 2
2 (5)
2 2
2
1 t
N (6)
d
e d d
N 2 1/
1 . 2 2 1 (7) ) . ( 1 . . . ) ( TRHmédio TRHteórico N médio N teórico médio e TRH TRH N N TRH N t
g (8)
Em que:
V: volume da unidade de tratamento (L3);
Q: vazão (L3T-1);
C: concentração de saída do traçador (ML-3);
t: tempo decorrido com a análise com traçador (T);
D: coeiciente de dispersão que caracteriza o grau de mistura (L2T-1);
u: velocidade média de escoamento (L T-1);
L: comprimento do percurso longitudinal na unidade (L);
d=D/uL: número de dispersão (adimensional);
Γ (N): função gama de N,para números inteiros [fatorial de N-1 (d-1)].
Para a comprovação dos parâmetros hidrodinâmicos encontrados, foram utilizados cálculos numéricos e programa de integração por Simpson desenvolvido por Campos (1990), empregado na simulação dos resultados. O programa computacional foi feito na linguagem
Visual Basic®. Ao mesmo tempo, seguindo a metodologia proposta
por Metcalf & Eddy (2003), estimaram-se alguns índices que avaliam a eiciência volumétrica, a extensão do escoamento, a dispersão, os curtos-circuitos e as zonas estagnadas (mortas). Esses índices corro-boram a avaliação mais cuidadosa do desempenho hidráulico da CG. Para a avaliação dos resultados do número de dispersão,
considera-ram-se: dispersão desprezível, indicando escoamento pistonado, para d
tendendo a zero, e grande dispersão, indicando escoamento em mistura
completa, para d tendendo ao ininito (∞) (LEVENSPIEL, 2000; METCALF
& EDDY, 2003); condições de escoamento se aproximando do pistonado,
para d em torno de 0,2 ou menos, e se aproximando das condições de
mistura completa, para d em torno de 3,0 ou mais (VON SPERLING,
1996). Já a avaliação da intensidade de dispersão baseou-se na Tabela 2.
Quanto à avaliação dos resultados de N, foram considerados:
padrão de escoamento pistonado, para N tendendo ao ininito (∞), e
mistura completa, para N tendendo a 1. Valores intermediários
indi-cam escoamento disperso (LEVENSPIEL, 2000).
Primeiramente, foram relacionados o 1º e o 3º testes hidrodinâ-micos, com a CG sob lotação gravitacional, e, posteriormente, o 2º e o 4º testes, com a CG sob lotação forçada.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Os resultados do 1º e do 3º testes hidrodinâmicos, respectivamente com água limpa e com água residuária do RU com o sistema de aeração da CG desligado, são apresentados nas Figuras 3 e 4 e nas Tabelas 3 e 4. Cabe des-tacar que o 3º teste ocorreu após 146 dias do início das atividades na CG. No 1º teste, a curva de DTR apresenta aparente simetria, de modo semelhante aos modelos de pequena a moderada intensidade de dis-persão (LEVENSPIEL, 2000), conirmando a situação imposta de vazão
aplicada constante. As dosagens de K+ se apresentam estáveis como
em escoamento pistonado, sem grandes picos de saída. A presença de uma pequena cauda indica a existência de zonas estagnadas, e a saída
de K+ durante a primeira hora de avaliação mostra a ocorrência de
Figura 3 – Curva e ajuste da distribuição do tempo de residência pela função gama no 1º teste, totalizando 32 horas (1.920 minutos).
DTR: distribuição do tempo de residência.
0,0016 Estimado Traçador Tempo (min) 1.920 1.760 1.600 1.440 1.280 1.120 960 800 640 480 320 160 0 0 D TR ( 1/ min) 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,001 0,0012 0,0014
Tabela 2 – Avaliação da intensidade de dispersão.
Dispersão (d) Intensidade
Zero Nenhuma
<0,05 Pequena*
0,05 a 0,25 Moderada
>0,25 Grande
Fonte: Metcalf & Eddy (2003).
Tabela 3 – Resultados dos parâmetros hidrodinâmicos no 1º e 3º testes, com a caixa de gordura funcionando por flotação gravitacional com o sistema de aeração desligado.
Parâmetro Equação 1º teste 3º teste
TRHteórico 1 334 min=0,23 dias 523 min=0,36 dias TRHmédio 2 971 min=0,67 dias 4.475 min=3,11 dias
σ2 3 129.991,16 min2 6.895.159,15 min2
σ2θ 4 0,14 0,34
d 5 0,07 0,22
N 6,7 e 8 7 3 e 2
TRHteórico: tempo de residência hidráulica teórico; TRHmédio: tempo de residência hidráulica médio.
Tabela 4 – Resultados dos índices encontrados na avaliação do desempenho hidráulico da caixa de gordura funcionando por flotação gravitacional no 1º e 3º testes hidrodinâmicos.
Índices 1º teste 3º teste Interpretação (METCALF & EDDY, 2003)
Índice de avaliação da eficiência volumétrica
(TDHmédio/TDHteórico) 2,91 8,56
Valor diferente de 1 indica perturbações de escoamento (zonas mortas e/ou curtos-circuitos) devido à conformação prismática da CG, com cantos e arestas. Índice de tempo modal de residência
(TDHpico/TDHteórico) 2,88 5,93
Valor se afastando de 1 indica distribuição não uniforme com desvios da idealidade e escoamento dispersivo.
Índice de curto-circuito
(TDHi/TDHteórico) 0,18 0,04
Valor menor que 1 indica curtos-circuitos e valor próximo a zero indica alguma mistura.
Índice de tempo de residência médio
(TDH50%/TDHmédio) 0,97 0,99
Valor de aproximadamente 1 indica que as áreas estagnadas não foram significativas.
Índice para estimativa do índice de dispersão
(IDM=TDH90%/TDH10%) 3,13 5,44
Valor distante do escoamento em mistura completa (IDM=22), aproximando-se do pistonado (IDM=1) com alguma dispersão.
TRHmédio: tempo de residência hidráulica médio; TRHteórico: tempo de residência hidráulica teórico; CG: caixa de gordura; TRHpico: tempo em que a concentração de pico do traçador é registrada na saída; TRHi: tempo em que o traçador foi detectado pela primeira vez; TRH10%, TRH50% e TRH90%: tempo em que, respectivamente, 10, 50 e 90% da massa do traçador passam pela saída da unidade; IDM: índice de dispersão de Morril.
Figura 4 – Curva e ajuste da distribuição do tempo de residência pela função gama no 3º teste, totalizando 149,67 horas (8.980 minutos).
DTR: distribuição do tempo de residência.
D
TR (
1/
min)
Estimado Traçador
Tempo (min)
8.640 7.200 5.760 4.320 2.880 1.440 0
0 0,001 0,002 0,003 0,004
caminhos preferenciais ou curtos-circuitos. O teste foi interrompido com 32 horas (1.920 min), haja vista que o inal da curva não retornou para valores próximos a 0. Nota-se retardo na liberação do traçador
comprovado pela diferença entre TRHmédio e TRHteórico, este superado
em aproximadamente três vezes. Ainda, com d<0,2 (VON SPERLING,
1996), conirma-se a aproximação às condições de escoamento tipo
pistão. Igualmente, o valor de N reforça esse conceito, uma vez que,
quanto maior o N, menor o grau de mistura (MENDONÇA, 2002).
A intensidade de dispersão pode conirmar-se como moderada (para d
entre 0,05 e 0,25) (METCALF & EDDY, 2003).
No 3º teste, a curva de DTR não apresentou bom ajuste, possivel-mente em virtude das diiculdades com o teste real, como: mudanças de vazão, natureza variada do aluente, grande acúmulo de lodo decan-tado (aproximadamente 1,00 m) e elevado teor de escuma (aproximada-mente 0,19 m) com a utilização parcial do volume líquido total da CG.
Como explicação para o fato de o TRHmédio ser superior ao TRHteórico, é
sugerida a ocorrência de retardo na liberação do traçador, conirmando o indício de zonas mortas em função da conformação prismática da CG. Ainda,
o valor de d bem próximo a 0,2 (VON SPERLING, 1996) aponta para um
escoamento tendendo a pistonado. Já o valor de N entre zero e ininito indica
escoamento disperso, em que a dispersão pode ser resultado dos seguintes fatores: escoamento; turbulência dos gases formados no processo anaeróbio que ocorria no interior da CG; inversão térmica causada pela variação da temperatura no interior da CG; e, ainda, condições de alimentação inter-mitente com variações constantes da vazão, no período das atividades de almoço no RU (6h30min diárias), causando variações da carga hidráulica
e orgânica. Uma vez cessado o escoamento, os íons de K+ provavelmente
se distribuíam internamente em algumas regiões (zonas mortas) e/ou por adsorção ao lodo decantado ou na escuma supericial, devido, prin-cipalmente, aos processos advectivos e dispersivos (FERREIRA, 2012; METCALF & EDDY, 2003).
Tabela 5 – Resultados dos parâmetros hidrodinâmicos no 2º e 4º testes, com a caixa de gordura funcionando por flotação forçada.
Parâmetro Equação 2º teste 4º teste
TRHteórico 1 1.232 min=0,86 dias 462 min=0,32 dias TRHmédio 2 700 min=0,49 dias 2.957 min=2,05 dias
σ2 3 888.929,0 min2 5.780.416,58 min2
σ2θ 4 1,82 0,66
d 5 * 0,72
N 6,7 e 8 1 2 e 1
TRHmédio: tempo de residência hidráulica médio; TRHteórico: tempo de residência hidráulica teórico.
Não foi possível determinar o valor de d pelo modelo de dispersão de grande intensidade utilizando “solver” na resolução da Equação 8.
DTR: distribuição do tempo de residência.
Figura 6 – Curva e ajuste da distribuição do tempo de residência pela função gama no 4º teste, totalizando 150,5 horas (9.030 minutos).
0,006
D
TR (
1/
min)
Estimado Traçador
Tempo (min)
8.640 7.200 5.760 4.320 2.880 1.440 0 0 0,0012 0,0024 0,0036 0,0048
DTR: distribuição do tempo de residência.
Figura 5 – Curva e ajuste da distribuição do tempo de residência pela função gama no 2º teste, totalizando 78,5 horas (4.710 minutos).
4.710
D
TR (
1/
min)
Estimado Traçador
Tempo (min) 0,0035
0,003 0,0025 0,002 0,0015 0,001 0,0005 0 0
471 942 1.413 1.884
2.355 2.826 3.29 7
3.768 4.239
No 2º teste, a curva resposta de DTR apresentou característi-cas assimétricaracterísti-cas da distribuição e mostrou a presença do prolon-gamento em forma de uma cauda longa, representando a existên-cia de zonas com recirculação interna e zonas mortas (CASTRO, 2010; LEVENSPIEL, 2000). Essas zonas são provenientes de can-tos, arestas ou espaços abaixo dos difusores de ar. Nota-se que, nas primeiras horas do experimento, uma quantidade de potássio foi conduzida rapidamente para fora da unidade, levando ao adianta-mento do pico máximo do traçador. O restante decaiu lentamente no decorrer do período de avaliação, induzindo atraso na saída. Verifica-se que esses vários fatores vão ao encontro do modelo de dispersão de grande intensidade e com forte tendência ao escoa-mento com elevada mistura. Comportaescoa-mento semelhante foi
observado por Capela et al. (2009) e Lourenço & Campos (2009),
em que, respectivamente, o aparecimento de uma longa cauda mostrou familiaridade com os modelos em mistura completa e
em dispersão de grande intensidade. O valor de N demonstra que
a CG se mostrou bem misturada pelo sistema de aeração e vai ao
Tabela 6 – Resultados dos índices encontrados na avaliação do desempenho hidráulico da caixa de gordura funcionando por flotação forçada no 2º e 4º testes hidrodinâmicos.
Índices 2º teste 4º teste Interpretação (METCALF & EDDY, 2003)
Índice de avaliação da eficiência volumétrica (TDHreal/TDHteórico) 0,57 6,39 Valor diferente de 1 indica perturbações de escoamento (zonas mortas e/ou curtos-circuitos).
Índice de tempo modal de residência (TDHpico/TDHteórico) 0,01 1,01
Valores próximos a zero indicam escoamento em mistura completa e distribuição não uniforme com prováveis curtos-circuitos. Valor próximo a 1 indica tendência a escoamento pistonado.
Índice de curto-circuito (TDHi/TDHteórico) 0,00 0,00 Valor igual a zero indica escoamento em mistura completa e valor menor que 1 indica presença de curtos-circuitos. Índice de tempo de residência médio (TDH50%/TDHreal) 0,32 1,02 Valor menor que 1 indica áreas estagnadas. Valor próximo a 1
indica que as áreas estagnadas são insignificantes.
Índice de dispersão de Morril (IDM=TDH90%/TDH10%) 49,86 47,88 Valor>22 indica tendência a escoamento em mistura completa (IDM>22) com dispersão, devido à turbulência do ar.
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REFERÊNCIAS
encontro do comportamento hidrodinâmico de mistura completa ideal (uma unidade). Os curtos-circuitos foram confirmados pelo
valor de TRHpico/TRH teórico.
No 4º teste, assim como no 3º, a curva de DTR não apresentou
bom ajuste. O valor de d aponta para um escoamento tendendo à
condição de mistura completa com dispersão de grande intensi-dade (d>0,25) (METCALF & EDDY, 2003). A dispersão observada resulta da turbulência do ar, injetado pelo soprador por meio dos difusores no fundo da CG, com a intercalada condição estacio-nária ao cessar a vazão. O traçador foi novamente agitado na CG quando voltava à vazão. Também a agitação ocorria com a vazão
de pico e a inversão térmica. O valor de N confirma a tendência
ao escoamento em mistura completa. Comparativamente, Silva
(2004) encontrou d=0,49 e N=4 para o sistema com aeração difusa
(tanque de aeração), o que permitiu a caracterização de escoa-mento dispersivo próximo à mistura completa. Ainda nesse teste, o TRHmédio encontrado também superou o TRHteórico, sugerindo atraso
na liberação (resposta) do traçador, confirmando a existência de zonas mortas no interior da CG, possivelmente devido ao volume líquido posicionado abaixo dos aeradores. Cabe mencionar que entre os difusores de ar e o fundo da CG há um espaço com valor médio em torno de 14 cm, favorecendo, definitivamente, a cria-ção de zonas mortas.
CONCLUSÕES
A partir dos ensaios hidrodinâmicos, concluiu-se que, com a CG tra-tando água residuária do RU em condições de lotação gravitacional, o escoamento foi dispersivo moderado, tendendo a pistonado, mas possuindo intrinsecamente certa mistura. Os desvios de escoamento foram ocasionados pelas zonas mortas, pelos curtos-circuitos e pela
recirculação interna, efeitos que contribuem para a distribuição não uniforme. A determinação do modelo de escoamento sofreu inluên-cia de vários fatores: biomassa (lodo); retenção bem mais elevada de particulados menos densos nas camadas superiores (escuma) e de O&G em maior quantidade; e, ainda, retenção de sólidos grosseiros mais densos por decantação na parte inferior. Esses fatores retarda-ram o escoamento e, consequentemente, o tempo de percurso do luido na referida unidade.
Em condições de lotação forçada, com o sistema de aeração em funcionamento, é fortemente conirmada a tendência de escoamento em mistura dispersiva de elevada intensidade. O aumento do tempo de residência hidráulica relacionou-se à recirculação das partículas de luido dentro da própria unidade, bem como às zonas mortas causadas pelos cantos prismáticos, ao volume líquido abaixo dos sopradores e mesmo outras arestas intrínsecas às unidades hidráulicas e de condu-ção de ar internas da CG.
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